CN110398750A - 一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，主要包括高重频纳秒脉冲激光器、激光扩束器、带通滤光片、成像镜头、单光子相机、计算机等。本发明采用高重频脉冲激光作为主动照明光源，具有激光方向性好、空间分辨率高、定位精度高、响应快速的优势；采用具有单光子探测能力的单光子相机采集信号，具有探测灵敏度高、“零噪声”、采集信号信噪比高的优势；采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的距离选通模式，目标成像噪声低；且系统体积小、功耗低、重量轻。因此，可应用于海底矿石勘测、水下目标搜寻等，亦可在水下目标预警、水下侦查等军事应用中发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明专利涉及水下目标探测技术领域，尤其涉及一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统。
背景技术
海洋富含海洋生物、海底矿产、海水化学等资源，是人类赖以发展的资源宝库。水下信息的获取是水下资源勘测、水下空间战争胜利的关键。因此水下目标探测系统的重要性可想而知。但是，现在常规的水下目标探测系统在应用上都存在一定缺陷：声纳探测系统，水声信号干扰大、损耗高、不稳定，分辨率较低难以识别水雷、渔网等小目标，且对近距离目标探测存在一定盲区；而微波探测技术，受海流和风速影响较大。
自上世纪60年代，科学家发现海水中存在470-580nm的大气透过窗口后，激光水下探测技术快速发展。目前激光水下探测技术，大多基于距离选通原理，照明光源采用高能量低重频纳秒脉冲激光器，探测器采用门控型ICCD。但高能量低重频纳秒脉冲激光器的体积大、功耗大、质量重，严重限制了机载、星载以及便携性式应用；ICCD的探测灵敏度一般在十几个光子，但读出噪声较大，对弱信号成像的信噪比差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其基于高重频脉冲激光和具有单光子探测能力的单光子相机，采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的距离选通模式，具有目标成像噪声低，系统体积小、功耗低、重量轻的优势。
本发明所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，主要包括高重频纳秒脉冲激光器、激光扩束器、带通滤光片、成像镜头、单光子相机、计算机等。
其中，所述的高重频纳秒脉冲激光器，作为待测水下目标的主动照明光源；所述的激光扩束器，用于对激光扩束，形成均匀照明光源；所述的带通滤光片，用于规避环境背景光干扰；所述的成像镜头，用于对待测水下目标信号收集、成像；所述的门控单光子相机，用于回波信号的增益放大及选通控制，并对信号进行有效探测。
本发明所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，具有如下有益效果：采用高重频脉冲激光具有激光主动照明探测，激光方向性好、空间分辨率高、定位精度高、响应快速的优势，采用具有单光子探测能力的单光子相机，具有探测灵敏度高、“零噪声”、采集信号信噪比高的优势；采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的距离选通模式，目标成像噪声低；高重频脉冲激光器可实现器件小型化，水下探测系统体积小、功耗低、重量轻。
附图说明
图1是一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统的整体结构图。
附图标记如下：101-高重频纳秒脉冲激光器，102-激光扩束器，103-水下目标，104-带通滤光片，105-成像镜头，106-门控单光子相机，107-计算机。其中门控单光子相机106主要由光阴极、双层MCP、荧光屏、中继镜头、探测器、门控模块、增益模块、时序模块等组成。
图2是一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统的多脉冲累加距离选通时序原理图。其中，高重频纳秒脉冲激光信号、目标反射回波信号、单脉冲信号选通工作频率(即门控模块工作频率)相同，带宽分别为ΔT2、ΔT2、ΔT3；探测器工作频率小于单脉冲信号选通工作频率，ΔT4>ΔT3，故探测器单帧曝光情况下会累加多个单脉冲选通信号。
具体实施方式
结合说明书附图1，本发明所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，主要包括101-高重频纳秒脉冲激光器，102-激光扩束器，103-水下目标，104-带通滤光片，105-成像镜头，106-门控单光子相机，107-计算机。其中门控单光子相机106主要由光阴极、双层MCP、荧光屏、中继镜头、探测器、门控模块、增益模块、时序模块等组成。
门控单光子相机106通过其内置的触发输出通道触发高重频纳秒脉冲激光器101按设定的频率和时序出射脉冲激光信号，脉冲激光信号经激光扩束器102后形成均匀的主动照明光源，打到待测水下目标103上；水下目标103反射的脉冲光信号经带通滤光片104后抑制其他波长环境光信号的后，再经成像镜头105收集将水下目标103反射的脉冲光信号到达门控单光子相机106。门控单光子相机106具有高增益、门控选通功能，其中高增益功能可将弱光信号实现放大增益，门控选通功能通过纳秒级电子快门仅允许水下目标103反射信号到达门控单光子相机106的时刻开启，可抑制水中背向散射信号。如附图1所示，t1-t2时刻信号的有效信号被选通探测，其他时刻干扰信号被门控单光子相机106的电子快门挡在外面不被接收。门控单光子相机106采集的水下目标103回波脉冲信号最终输出到计算机107供技术人员进行探测信号分析。
实施例一
本发明中的门控单光子相机可以是基于微通道板的单光子相机，其主要包括，双层MCP像增强器、光纤锥耦合镜头、探测器、时序控制模块、门控模块，壳体及盖板等。
其中，双层MCP像增强器的作用是将入射到其光阴极的微弱光信号转化为电信号，并通过双层微通道板(MCP)的多级放大进行电子倍增，倍增后电子打到荧光屏，通过电-光信号转化，最终实现光信号的增益、放大。光纤锥耦合镜头，利用光纤对光线的全反射将放大后的光信号耦合到探测器靶面。探测器，用于光信号采集。时序控制模块，用于实现数据外触发的信号开启时序控制，及内部时序的外部导出。门控模块，用于控制曝光时间及门宽控制。前盖板、后盖板及壳体用于将双层MCP像增强器，光纤锥耦合镜头，探测器，时序控制模块，门控模块等硬件进行封装。
该门控单光子相机以单光子计数模式进行数据采集：单光子计数模式，首先是对探测器的暗噪声计数，设定计数阈值，进行扣除。单帧采集，对有效光信号的像元区域光信号进行计数为1，其他像元区域计数为0；多帧采集，对单帧计数结果进行累加；通过多帧计数累加，重构成二维大面阵的灰度图，形成图像。本发明的基于双层MCP像增强器的单光子相机可实现大面阵单光子级光信号计数、成像，分辨率为1440*1080。其中，时序是控制激光器与相机的时序信号，时序相对于给相机设置一个高精度时钟，有内部时序和外部时序；门控模块是控制相机的曝光的开门、关门时间，最短可实现3ns的快门；其功能和原理属于比较成熟的技术，在次不再赘述。
详细内容详见：申请人为中智科仪(北京)科技有限公司的、申请号为2019101281043的中国发明专利一种基于双层MCP像增强器的单光子相机。
1.高重频纳秒脉冲激光器作为主动照明光源对水下目标进行探测，峰值功率高，激光传输性好，有利于提高探测距离和探测辐照度；相对于低重频纳秒激光器，高重频纳秒脉冲激光器可实现小型化，体积小、功耗低、重量轻。
2.距离选通技术探测水下目标，通过3ns门控时序对成像区域进行切片，有利于抑制水体背向散射对信号影响，提高激光测距精度和成像信噪比。
3.门控单光子相机进行信号采集，其具有“零噪声”、高增益、高灵敏度特性，每个像素都具有单光子探测能力，有利于实现单光子极限探测和高信噪比成像。
4.信号采集采用多脉冲叠加方式，即一帧采集中累加多个光脉冲信号，有利于提高成像信噪比。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，包括高重频纳秒脉冲激光器(101)、激光扩束器(102)、带通滤光片(104)、成像镜头(105)、门控单光子相机(106)和计算机(107)；
高重频纳秒脉冲激光器(101)，作为待测水下目标的主动照明光源，按设定的频率和时序出射脉冲激光信号；
激光扩束器(102)，对所述脉冲激光信号扩束，形成均匀的主动照明光源，照亮待测水下目标(103)；
带通滤光片(104)，对水下目标(103)反射的脉冲光信号起到过滤作用，抑制其他干扰波长环境的光信号；
成像镜头(105)，对经带通滤光片(104)过滤后的待测水下目标信号进行收集，并成像至门控单光子相机(106)上；
门控单光子相机(106)，通过其内置的触发输出通道触发高重频纳秒脉冲激光器(101)按设定的频率和时序出射脉冲激光信号，且具有高增益、门控选通功能，能够对信号进行有效探测，并将采集的水下目标(103)回波脉冲信号最终输出到计算机(107)，供技术人员进行探测信号分析；其中：高增益功能可将弱光信号实现放大增益，门控选通功能通过纳秒级电子快门仅允许水下目标(103)反射信号到达门控单光子相机(106)的时刻开启，可抑制水中背向散射信号。
门控单光子相机106采集的水下目标103回波脉冲信号最终输出到计算机107供技术人员进行探测信号分析。
2.根据权利1所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的高重频纳秒脉冲激光器(101)，重复频率：>1000Hz，脉冲宽度：<1ns，激光波长在：470-580nm，具有外触发功能。
3.根据权利2所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的高重频纳秒脉冲激光器(101)，激光波长：532nm，重复频率：2000Hz。
4.根据权利1所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的带通滤光片(104)，带通宽度：<5nm。
5.根据权利4所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的带通滤光片(104)，中心波长：532nm，带通宽度：<3nm。
6.根据权利1所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的成像镜头(105)，波谱范围：400-700nm，焦距：>100mm，入瞳直径：>80mm。
7.根据权利6所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的成像镜头(105)，焦距：300mm，入瞳直径：>100mm。
8.根据权利1所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的门控单光子相机(106)，具有时序控制模块、增益模块、门控模块和单光子计数功能，其采用双层MCP微通道板对光信号进行放大，门控宽度：<10ns，最大增益：>3000，抖动：<35ps。
9.根据权利1所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，所述的门控单光子相机(106)，采用中智科仪(北京)科技有限公司TRC311-D-H20-U型门控单光子相机。
10.根据权利9所述的一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统，其特征在于，探测波段：200nm-700nm，MCP类型：Hot S20双层，最短门宽：<3ns，电子快门重复频率：连续-300KHz，分辨率：1920*1200，相机最大帧频：162fps，最大光学增益：>55000倍，内置外触发输入和触发输出通道。
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